태양전지 페로브스카이트 효율·안전성 높이는 첨가제 개발

국내 연구진이 페로브스카이트 태양전지의 안전성과 효율을 대폭 향상시킬 첨가제를 개발했다는 소식이다. 

차세대 태양전지로 주목받고 있는 페로브스카이트는 저렴하고 높은 효율을 가지나 수분과 열, 빛 등에 대한 취약한 안전성이 상용화에 큰 걸림돌이 되어왔다. 페로브스카이트 광활성층의 분해를 가속화 하는 요소인 납(Pb)과 할라이드(염소 등) 이온의 공극, 결정립 경계 등을 줄이기 위한 페로브스카이트 층 형성 방법, 전자·정공 수송층의 변화·개질 등에 관한 많은 연구들이 진행되었다.

이 중에 첨가물 사용법은 결함을 효과적으로 감소시키는 것으로 알려져 있으나 첨가물 자체의 수분 및 열에 대한 안전성과 비전도체 특성 등이 해결과제로 남아있었다. 

울산과학기술원(UNIST) 박혜성·양창덕 교수연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 핵심소재인 '페로브스카이트'에 미량의 유기화합물을 첨가해 태양전지의 수분과 열, 광 안전성을 복합적으로 개선했다고 3일 밝혔다. 

전지가 태양광을 전기에너지로 변환하는 효율이 광전변환효율이 기존보다 17% 이상 향상됐다고 한다. 페로브스카이트는 작은 결정 알갱이(grain)들이 뭉쳐진 다결정 구조로 가격도 저렴하고 만들기 쉽지만 수분이나 열 등의 외부 자극에 약하다. 

결정 알갱이 사이의 경계면 결함은 이 물질의 안정성을 떨어뜨리는 원인 중 하나라고 한다. 이 경계면 결함에서 광생성 전하 입자들이 사라져 태양광을 전기로 바꾸는 효율도 떨어지게 된다. 

이에 연구팀은 결정 알갱이 하나이 크기를 키워서 전체 경계면 결함을 줄이는 첨가제 'Y-Th2'를 개발했다. 결정 씨앗(nucleation) 숫자 자체를 이 첨가제가 줄이게 되는 것이다.

연구팀에 따르면 결정 알갱이는 씨앗이 먼저 만들어진 후 그 씨앗이 점점 자라는 방식으로 생기기 때문에 씨앗 숫자를 줄이면 알갱이 하나의 크기를 더 키울 수 있다. 또한 이 첨가제가 결정을 천천히 자라게 만들어 결정 알갱이 내부의 원자가 고르게 배열되고 효율도 높아진다. 

새롭게 합성된 Y-Th2 물질은 높은 수분 및 열에 대한 안정성, 높은 전하수송 능력을 보유하고 있어 페로브스카이트 내 첨가물로써 높은 적합성을 가지고 있다.

개발된 첨가제를 넣은 태양전지는 첨가제를 넣지 않는 태양전지보다 약 17% 향상된 21.5%의 초기 광전변환효율을 기록했으며, 다양한 외부 자극에 대한 안정성이 복합적으로 향상돼 1,600시간 작동(40% 습도조건) 후에도 전지 초기 효율의 80% 이상을 유지했다.

반면 첨가제가 들어가지 않은 태양전지는 광전변환효율이 초기 효율의 30% 이하로 급감했다. UNIST 신소재공학과 박혜성 교수는 “하나의 첨가제를 이용해 페로브스카이트 소재의 복합 안정성과 광전기적 성질을 모두 개선한 연구”라며 “이번에 개발한 첨가제는 태양전지뿐 아니라 페로브스카이트 LED(PeLED)와 같은 다양한 페로브스카이트 기반 광전 소자의 발전에도 크게 기여할 수 있을 것”이라고 말했다. 

해당 연구수행은 연구 수행은 한국연구재단, 한국동서발전(주), 한국과학기술연구원, 한국에너지기술평가원의 지원을 통해 이뤄졌다. 이번 연구는 에너지·재료 분야의 권위 학술지인 ‘Advanced Energy Materials’ 에 10월 30일자로 논문명 'High-Performance Inverted Perovskite Solar Cells with Operational Stability via n-Type Small Molecule Additive-Assisted Defect Passivation'으로 온라인 공개됐으며 출판을 앞두고 있다.

포인트경제 김지연 기자